一、研究的背景與問題

隨著鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化技術(shù)的推進，作為實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐自動煉鋼核心技術(shù)的轉(zhuǎn)爐副槍技術(shù)仍停留在“自動煉鋼+經(jīng)驗煉鋼”模式，時常需要人工經(jīng)驗進行干預。雖然國內(nèi)外不斷研究副槍控制技術(shù)和煉鋼模型，但兩者仍然沒有實現(xiàn)很好的耦合，導致吹氧量動態(tài)控制不精準、補吹次數(shù)多、氧耗大，因此需要突破技術(shù)融合過程中的瓶頸，提升融合技術(shù)的命中率和成功率，開發(fā)轉(zhuǎn)爐副槍與一鍵煉鋼模型的系統(tǒng)耦合技術(shù)。

該技術(shù)開發(fā)主要目標是通過智能控制模型的指導，依托可靠的副槍、機器視覺、聲吶信號等監(jiān)測系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，借助生產(chǎn)大數(shù)據(jù)及人工智能算法技術(shù)進行模型自學習和自優(yōu)化，自主動態(tài)指導頂吹、底吹、造渣、終點預判和出鋼合金化，完成由冶煉到出鋼的自主感知、自主決策和自主執(zhí)行的閉環(huán)智能化控制，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉的穩(wěn)定化、高效化、無人化和高品質(zhì)低成本的動態(tài)有序生產(chǎn)。

主要面臨的技術(shù)難點為：

1、副槍機電設備的穩(wěn)定性：副槍的機電設備功能即實現(xiàn)探頭安裝、入爐檢測、出爐、拆卸等一系列過程的機械自動化，由于動作多、控制精度要求極高，機電設備的設計制造難度相對較大；

2、冶煉模型的復雜性：冶煉模型是先進的工藝理念和用以實施的軟件于一體的核心的技術(shù)，根本是科學的模型。使用副槍的目的是為了給模型提供及時準確的鋼水信息，由模型控制冶煉工藝。不僅要求提供信息的準確性，同時，控制的冶煉工藝包括氧槍頂吹、轉(zhuǎn)爐底吹、輔料加入等等，環(huán)節(jié)多，過程跟蹤復雜。

3、原料的差異性和操作習慣的不同性：國內(nèi)不同鋼鐵企業(yè)原料條件的差異很大，主要包括原料種類多樣，質(zhì)量品位不一。同時由于生產(chǎn)鋼種的不同，每個企業(yè)的操作習慣也不同。為了適應這種差異，對副槍系統(tǒng)提出了更高的要求。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

圍繞轉(zhuǎn)爐副槍耦合一鍵煉鋼模型關鍵技術(shù)與應用的研究目標，采用“工藝技術(shù)—裝備技術(shù)—工程應用”的思路進行研發(fā)，設計研發(fā)階段大體分五步：第一步，查閱文獻資料及現(xiàn)場考察副槍實際生產(chǎn)廠，掌握目前副槍實際使用情況以及使用過程中遇到的問題，基于目前掌握的副槍工藝設備、控制系統(tǒng)、模型軟件等，解決實際生產(chǎn)中遇到的問題；第二步，進行轉(zhuǎn)爐副槍與一鍵煉鋼模型耦合的工藝設計，重點研究副槍機械設備、一級控制系統(tǒng)、靜態(tài)模型和動態(tài)模型；針對國內(nèi)的原料條件和工人操作習慣，確定出適合國內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用的控制系統(tǒng)和模型的研發(fā)方向；第三步，進行副槍機械設備的方案設計；第四步，完成副槍一級控制系統(tǒng)的設計，檢查連鎖關系；第五步，完成靜態(tài)模型和動態(tài)模型基本設計。

項目工業(yè)化應用階段分兩步：第一步，參與工程項目投標，將設計成果應用于工程實踐；第二步，結(jié)合具體項目，通過工程應用對副槍的使用成果進行檢驗，檢驗轉(zhuǎn)爐副槍與一鍵煉鋼模型的耦合技術(shù)研發(fā)成果，并不斷完善設計。

圖1 技術(shù)路線圖

三、主要創(chuàng)新性成果

1、開發(fā)出高效成套副槍工藝設備

針對副槍工藝設備存在的故障率高的問題，首創(chuàng)了基于在線整體旋轉(zhuǎn)的高效成套副槍一體化技術(shù)，研制出探頭自動連接、多編碼器設計的副槍旋轉(zhuǎn)升降卷揚、防墜落結(jié)構(gòu)的副槍升降小車等一系列裝備，整套裝置反應迅速，定位精準、運行平穩(wěn)。旋轉(zhuǎn)和升降精度達到了±5mm，探頭自動安裝成功率達到了99%，副槍測量成功率達到了97%。

（1）開發(fā)出新型探頭自動連接裝置，系統(tǒng)組成包括探頭儲箱、探頭釋放裝置、探頭輸送裝置、探頭豎直裝置等，實現(xiàn)了擬人化手臂作業(yè)，故障率低。

（2）創(chuàng)新開發(fā)出副槍旋轉(zhuǎn)升降卷揚裝置，采用多編碼器設計、多接近開關和行程開關保護，具有張力檢測，結(jié)構(gòu)安全可靠。

（3）開發(fā)了具有防墜落結(jié)構(gòu)的副槍升降小車裝置，事故狀態(tài)下，能夠自動鎖緊，采用十二個導輪結(jié)構(gòu)，具有較高的定位精度。

（4）開發(fā)出能夠在線整體旋轉(zhuǎn)的副槍槍體，采用防粘渣設計，具有較高的使用壽命。

圖2 探頭自動連接裝置

圖3 副槍旋轉(zhuǎn)升降裝置

圖4 防墜落裝置

2、開發(fā)出成熟可靠的智能控制系統(tǒng)

針對副槍控制系統(tǒng)中存在控制技術(shù)不成熟的問題，首創(chuàng)了基于VPN 的路 由器遠程診斷的副槍專用智能控制技術(shù)，構(gòu)建速度閉環(huán)和位置閉環(huán)雙閉環(huán) PID定位控制系統(tǒng)，研制出智能控制柜、PLC等一系列裝備。整套系統(tǒng)組成完備、控制方式多樣，操作界面清晰，還具有安全可靠的連鎖、報警功能。

開發(fā)出四種副槍系統(tǒng)HMI操作控制邏輯，設PC模式、HMI自動模式、HMI半自動模式、手動模式。其中HMI手動模式與機旁手動模式控制邏輯一致。控制方式多樣，滿足操作者各種操作需求。

首次采用速度閉環(huán)和位置閉環(huán)雙閉環(huán)PID定位控制，實現(xiàn)副槍系統(tǒng)快速精確定位控制。

開發(fā)了標準軟件庫，副槍智能控制軟件庫，包含了副槍所有動作周期時序，以及各個監(jiān)控時序，內(nèi)容豐富完善，大大提高了設計質(zhì)量和效率，

自主研發(fā)的遠程診斷與維護系統(tǒng)，是通過基于VPN技術(shù)的路由器遠程診斷技術(shù)，可以在實現(xiàn)遠程對就地的實時訪問。

圖5 副槍操作控制邏輯時序圖

圖6 副槍動作周期程序控制畫面

3、開發(fā)出多功能靜態(tài)模型

針對靜態(tài)模型命中率有限的問題，首創(chuàng)了集成裝料、供氧、冷卻劑加入、脫磷等煉鋼靜態(tài)模型，研制出多模塊分類設計，匹配方案智能優(yōu)選模型等一系列編程軟件裝備，實現(xiàn)了從裝料到冶煉結(jié)束，靜態(tài)模型全自動閉環(huán)控制，靜態(tài)模型命中率達到了75%以上。

1）主原料計算模型，合理計算主原料加入量以及各批料的投入時間，模型計算機將結(jié)果發(fā)送基礎自動化，實現(xiàn)了自動煉鋼。

2）出鋼溫度計算，在考慮各種溫降因素的情況下，還可根據(jù)鋼種特性和鋼廠實際情況確定鋼種目標溫度及上下限。實現(xiàn)了精準控溫。

3）熔劑和氧量冷卻劑計算，采用靜態(tài)自學習模型中的參考爐次的特征數(shù)據(jù)和三大平衡共同完成。

4）轉(zhuǎn)爐合金計算，開發(fā)了合金配料模型，考慮到各種鐵合金成本及收得率的不同，采用多目標組合優(yōu)化方法，對合金成本優(yōu)化。

5）靜態(tài)自學習，是靜態(tài)計算的基礎，通過靜態(tài)自學習的參考爐次，對計算過程中的標準鐵水比進行修正，計算當前爐次的標準鐵水比，結(jié)合靜態(tài)計算系數(shù)，推出當前爐次的鐵水比。

 圖7  靜態(tài)計算模型

4、開發(fā)出高命中率動態(tài)模型

針對動態(tài)模型無法自動修正問題，首創(chuàng)了集過程跟蹤功能、自學習功能和自動調(diào)節(jié)動態(tài)計算于一體的多功能動態(tài)模型，研制出模型服務器等一系列裝備，解決了靜態(tài)計算的誤差問題，實現(xiàn)準確控制。轉(zhuǎn)爐副槍動態(tài)模型平均命中率達到了92%以上。

在吹氧量達到總吹氧量的85%左右時，副槍開始進行測量，轉(zhuǎn)爐計算機收到副槍的碳、溫測量值后將自動進行動態(tài)計算。動態(tài)模型計算出的預測值同時以坐標點的形式表現(xiàn)出來，并形成平滑的曲線，形象反映出動態(tài)階段溶池內(nèi)C-T變化的軌跡。動態(tài)校正過程前期吹煉停頓繼續(xù)吹煉，動態(tài)校正不終止直至動態(tài)校正過程完成。

 圖8 動態(tài)計算模型

四、應用情況與效果

該技術(shù)通過不斷的完善和優(yōu)化，于2023年12月通過了中冶集團科技成果評價，成果整體達到國際先進水平，具體如下。

1）副槍測試周期

中冶京誠研發(fā)的副槍產(chǎn)品，機電設備性能穩(wěn)定，控制系統(tǒng)先進，從而大大縮短了副槍系統(tǒng)的測量周期。連接周期：30秒，測量周期：37秒，復位周期43秒，總周期110秒，優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的120秒。

2）副槍定位精度：±5mm（升降）；±5mm（旋轉(zhuǎn)）。

3）壽命：符合操作規(guī)程的前提下使用壽命大于10000爐；

4）碳和溫度命中率平均比國內(nèi)外同類產(chǎn)品高出4個百分點

5）工藝控制設備有效率

盡管副槍的工作環(huán)境十分的惡劣，但是副槍系統(tǒng)的設備完好率可以達到99%以上的水平，高于行業(yè)平均水平（90%）。

轉(zhuǎn)爐副槍耦合一鍵煉鋼模型技術(shù)是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐科學生產(chǎn)、穩(wěn)定操作、降低消耗、減少排放、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。憑借多年積淀的頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐煉鋼工程設計及總承包經(jīng)驗，針對國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)條件及操作模式的特點，中冶京誠于2010年開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品。目前已經(jīng)有21套產(chǎn)品成功應用于本鋼、唐山凱鑫、山西高義、福建三鋼羅源、河北太行、河北普陽等鋼廠，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐“一鍵煉鋼”。取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。從河北太行、河北普陽等企業(yè)的使用效果來看，碳的平均命中率達到了88%，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。由于碳的命中率提高，避免了再次操作，且提高了鋼的清潔度。減少脫氧用鋁的消耗，減少轉(zhuǎn)爐渣中的鐵含量，這兩項可使噸鋼成本降低約3元。延長了轉(zhuǎn)爐爐襯壽命。減少噴濺，冶煉高碳鋼縮短冶煉時間約3分鐘，提高終點控制精度。

轉(zhuǎn)爐副槍耦合一鍵煉鋼技術(shù)可助力鋼鐵企業(yè)低碳減排，在環(huán)保、節(jié)能效果上有著非常大的優(yōu)勢，改善工人勞動環(huán)境，后續(xù)新建煉鋼車間副槍已經(jīng)成為標配設備，對于有志于提升煉鋼車間自動化水平的企業(yè)，對現(xiàn)有車間進行升級改造，配備副槍技術(shù)已成為一種趨勢，特別是國產(chǎn)化的集成技術(shù)可大大降低建設投資，連續(xù)穩(wěn)定的運行效果保證了煉鋼生產(chǎn)的順行。同時，依托于一鍵出鋼技術(shù)，由“一鍵冶煉”和“一鍵出鋼”兩部分組成，以智能控制模型為核心，發(fā)展起來的智能化煉鋼技術(shù)，已經(jīng)成為我國鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)降本增效和高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

本項目攻克了一鍵煉鋼的核心關鍵技術(shù)，通過提升副槍功能，融合智能模型，開辟了一鍵煉鋼的新賽道，不僅助力鋼鐵企業(yè)提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率和降低消耗，還提升了產(chǎn)品質(zhì)量和安全，降低人員配置，改善工作條件。